CN107485383B - 一种基于成分分析的散斑血流成像方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于成分分析的散斑血流成像方法和装置，对原始血流散斑信号进行成分分析，分离出血流光强信号和组织光强信号，计算出成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图。本方法具有非入侵、无需注射造影剂、无损害等诸多优点，可用于活体小动物样品，如小鼠、鱼胚胎等的血流成像，这对于部分血流疾病的病理诊断和分析具有重大的应用前景。本装置成本低廉、对样品无伤害，能快速实现血流成像，且成像精度高，可用于血流监测；采用了透射式成像***，能够具有更深的成像深度；引入了长焦距远心镜头，使得处于深位置的血流位于景深范围内，相机能采集清晰的像，具有较高的空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及生物组织光学血流成像领域，具体是指一种基于成分分析散斑血流成像方法和装置。
背景技术
激光散斑血流成像属于光学成像技术领域，通过采集生物组织的散斑信号来获取血流信息，无需注射造影剂和机械扫描，即可获得全场的血流分布图，具有无损、非接触成像等优势。目前，激光散斑血流成像技术已经成功运用到脑皮层、皮肤、眼睛视网膜等组织的血流成像和监测，对于部分血流疾病的病理诊断和分析具有重要意义。
散斑血流成像方法通常以相同的曝光时间和帧间隔时间连续采集N帧大小为P＊L的散斑图像，然后根据处理方法分为以下三种：空间衬比成像法，利用W×W大小的移动窗口计算衬比值，以计算结果作为移动窗口中心像素点的灰度值重建二维血流分布图；时间衬比成像法，利用每个像素点沿时间序列对应的N个光强值来计算衬比值，以计算结果作为该像素点的灰度值来重建二维血流分布图；时空联合衬比成像法：利用空间和时间结合的方法，具体是让第M+1帧图像减去前M帧原始散斑图像在时间序列上的均值，再进行空间衬比成像，从而重建血流分布图。
空间衬比成像法：例如中国发明专利CN1391869A“利用激光散斑成像仪检测肠细膜上微循环血流时空响应特性的方法”，该方法的主要缺点是图像空间分辨率较低。时间衬比成像法：例如中国发明专利CN1792323A“一种经颅脑血流高分辨率成像方法及其装置”，该方法的主要缺点是图像时间分辨率较低，容易受图像抖动的影响。时空联合衬比成像法：中国发明专利CN101485565A“一种激光散斑血流成像分析方法”和中国发明专利CN102429650A“一种激光散斑血流成像衬比分析方法”，这两种方法都是利用空间衬比成像和时间衬比成像结合的方法提高成像的空间分辨率和时间分辨率，但是存在算法运算量过大、速度较慢的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于成分分析的散斑血流成像方法和装置，对原始血流散斑信号进行成分分析，分离出血流光强信号和组织光强信号，计算出成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图，与散斑衬比成像方法相比，只需利用2张原始血流图像，即可重建出血流分布图，能够有效解决时空分辨率低和运算量大等问题。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
一种基于成分分析的散斑血流成像方法，包括以下步骤：
用激光射向被测样品，并透射出原始血流散斑信号；
采集包含血流光强信号和组织光强信号的原始血流散斑信号，并沿时间序列排列；
对原始血流散斑信号进行成分分析，得到由运动红细胞产生的血流光强信号和由背景组织产生的组织光强信号；
计算出血流分布图的每一像素点的成像参量；
利用上述步骤依次得到各行像素的成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图。
本发明提出的一种基于成分分析的散斑血流成像方法，对原始血流散斑信号进行成分分析，分离出血流光强信号和组织光强信号，计算出成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图，最少只需2帧即可得到血流分布图，具有时空分辨率高、适合实时成像的特点。此外，本方法还具有非入侵、无需注射造影剂、无损害、成本低廉等诸多优点。本方法可用于活体小动物样品，如小鼠、鱼胚胎等的血流成像，这对于部分血流疾病的病理诊断和分析具有重大的应用前景。
进一步，所述成分分析，包括以下步骤：
a、假设采集到的沿时间序列排列的原始血流散斑信号数量为N，数据大小为P＊L＊N，依次抽取每一行所有时间序列上的像素点的原始光强数据，组成N＊L大小的样本矩阵X，数学表达式为：
其中，I(x,y,t)表示第x行像素点(x,y)沿时间轴t处的光强信号。
b、计算矩阵X的协方差矩阵C，数学表达式为：
其中，Cij为协方差矩阵C的第i行第j列的元素。
c、求出协方差矩阵C的特征值λi及其对应的特征向量ai。将λi降序排列，使得λ1≥λ2≥…≥λN。特征向量ai是矩阵X的第i成分Fi的线性变换系数，则Fi可用公式表示为：
Fi(x,y)＝aiXy (1－3)
其中，Xy为样本矩阵的第y列，Fi(x,y)为像素点位置(x，y)的第i成分。
d、由背景组织产生的组织光强信号I0(x，y)为方差贡献率最大的第一成分，由运动红细胞产生的血流光强信号IRBC(x，y)为方差贡献率小的第二到第N成分之和，其数学表达式分别为
I0(x,y)＝F1(x,y) (1－4)
其中I0(x,y)表示第x行像素点(x,y)背景组织产生的静态散斑信号之和，IRBC(x,y)表示第x行像素点(x,y)运动红细胞产生的动态散斑信号之和。
通过步骤a至步骤d对采集到的原始血流散斑信号进行成分分析，得到血流光强信号和组织光强信号，作为计算成像参量的数据基础。
进一步，所述血流分布图的每一像素点的成像参量，为该像素点的第二到第N成分之和除以第一成分的值，其数学表达式为：
其中IP(x,y)表示第x行像素点(x,y)的成像参量。
进一步，采集到的原始血流散斑信号数量N为大于等于2的整数。
一种基于成分分析的散斑血流成像装置，其特征在于，包括：激光光源、光纤头、扩束镜、与水平面夹角为45度的反光镜、位于反光镜正上方的中心有孔的载物台、嵌于载物台中心孔的载玻片、位于载玻片正上方的远心镜头、与远心镜头连接的相机以及接收相机所采集的数据进行处理和重建血流分布图的电脑。本装置成本低廉、对样品无伤害，能快速实现血流成像，且成像精度高，可用于血流监测；采用了透射式成像***，能够具有更深的成像深度；引入了长焦距远心镜头，使得处于深位置的血流位于景深范围内，相机能采集清晰的像，具有较高的空间分辨率。
进一步，所述激光光源、光纤头和扩束镜依次连接，且中心位于同一水平线上。
优选地，所述相机为CMOS相机。采用CMOS相机结合远心镜头采集样品散斑信息，提高成像***的景深，实现高分辨率成像。
本发明的有益效果是：本发明采用的一种基于成分分析的散斑血流成像方法和装置，对原始血流散斑信号进行成分分析，分离出血流光强信号和组织光强信号，计算出成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图，最少只需2帧即可得到血流分布图，具有时空分辨率高、适合实时成像的特点。此外，本方法还具有非入侵、无需注射造影剂、无损害、成本低廉等诸多优点；本方法可用于活体小动物样品，如小鼠、鱼胚胎等的血流成像，这对于部分血流疾病的病理诊断和分析具有重大的应用前景。本装置成本低廉、对样品无伤害，能快速实现血流成像，且成像精度高，可用于血流监测；采用了透射式成像***，能够具有更深的成像深度；引入了长焦距远心镜头，使得处于深位置的血流位于景深范围内，相机能采集清晰的像，具有较高的空间分辨率。
附图说明
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1是本发明一种基于成分分析的散斑血流成像方法的流程图；
图2是本发明一种基于成分分析的散斑血流成像装置的示意图。
具体实施方式
参照图1，本发明的一种基于成分分析的散斑血流成像方法，包括以下步骤：
用激光射向被测样品，并透射出原始血流散斑信号；
采集包含血流光强信号和组织光强信号的原始血流散斑信号，并沿时间序列排列；
对原始血流散斑信号进行成分分析，得到由运动红细胞产生的血流光强信号和由背景组织产生的组织光强信号；
计算出血流分布图的每一像素点的成像参量；
利用上述步骤依次得到各行像素的成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图。
本发明提出的一种基于成分分析的散斑血流成像方法，对原始血流散斑信号进行成分分析，分离出血流光强信号和组织光强信号，计算出成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图，最少只需2帧即可得到血流分布图，具有时空分辨率高、适合实时成像的特点。此外，本方法还具有非入侵、无需注射造影剂、无损害、成本低廉等诸多优点。本方法可用于活体小动物样品，如小鼠、鱼胚胎等的血流成像，这对于部分血流疾病的病理诊断和分析具有重大的应用前景。
进一步，所述成分分析，包括以下步骤：
a、假设采集到的沿时间序列排列的原始血流散斑信号数量为N，数据大小为P＊L＊N，依次抽取每一行所有时间序列上的像素点的原始光强数据，组成N＊L大小的样本矩阵X，数学表达式为：
其中，I(x,y,t)表示第x行像素点(x,y)沿时间轴t处的光强信号。
b、计算矩阵X的协方差矩阵C，数学表达式为：
其中，Cij为协方差矩阵C的第i行第j列的元素。
c、求出协方差矩阵C的特征值λi及其对应的特征向量ai。将λi降序排列，使得λ1≥λ2≥…≥λN。特征向量ai是矩阵X的第i成分Fi的线性变换系数，则Fi可用公式表示为：
Fi(x,y)＝aiXy (1－3)
其中，Xy为样本矩阵的第y列，Fi(x,y)为像素点位置(x，y)的第i成分。
d、由背景组织产生的组织光强信号I0(x，y)为方差贡献率最大的第一成分，由运动红细胞产生的血流光强信号IRBC(x，y)为方差贡献率小的第二到第N成分之和，其数学表达式分别为
I0(x,y)＝F1(x,y) (1－4)
其中I0(x,y)表示第x行像素点(x,y)背景组织产生的静态散斑信号之和，IRBC(x,y)表示第x行像素点(x,y)运动红细胞产生的动态散斑信号之和。
通过步骤a至步骤d对采集到的原始血流散斑信号进行成分分析，得到血流光强信号和组织光强信号，作为计算成像参量的数据基础。
进一步，所述血流分布图的每一像素点的成像参量，为该像素点的第二到第N成分之和除以第一成分的值，其数学表达式为：
其中IP(x,y)表示第x行像素点(x,y)的成像参量。
进一步，采集到的原始血流散斑信号数量N为大于等于2的整数。具体实施过程中，采集到的原始血流散斑信号数量N为大于等于5的整数效果比较好。
参照图2，一种基于成分分析的散斑血流成像装置，其特征在于，包括：激光光，1、光纤头2、扩束镜3、与水平面夹角为45度的反光镜4、位于反光镜4正上方的中心有孔的载物台5、嵌于载物台5中心孔的载玻片6、位于载玻片6正上方的远心镜头7、与远心镜头7连接的相机8以及接收相机8所采集的数据进行处理和重建血流分布图的电脑9。本装置成本低廉、对样品无伤害，能快速实现血流成像，且成像精度高，可用于血流监测；采用了透射式成像***，能够具有更深的成像深度；引入了长焦距远心镜头，使得处于深位置的血流位于景深范围内，相机能采集清晰的像，具有较高的空间分辨率。
进一步，所述激光光源1、光纤头2和扩束镜3依次连接，且中心位于同一水平线上。
优选地，所述相机8为CMOS相机。采用CMOS相机结合远心镜头采集样品散斑信息，提高成像***的景深，实现高分辨率成像。
使用本装置对被测样品进行散斑血流成像的实施步骤如下：
激光光源1发射出来的激光由光纤头2射向扩束镜3的中心，扩束后的激光经过反射镜4的反射，射向置于载玻片6上的被测样品，被测样品的透射光进入远心镜头7和相机8，电脑9接收相机8所采集的信号数据进行处理和建立被测样品的血流分布图。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于成分分析的散斑血流成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
用激光射向被测样品，并透射出原始血流散斑信号；
采集包含血流光强信号和组织光强信号的原始血流散斑信号，并沿时间序列排列；
对原始血流散斑信号进行成分分析，得到由运动红细胞产生的血流光强信号和由背景组织产生的组织光强信号；
计算出血流分布图的每一像素点的成像参量；
利用上述步骤依次得到各行像素的成像参量，并作为二维血流分布图的灰度值，建立样品的二维血流分布图；
所述成分分析，包括以下步骤：
a、假设采集到的沿时间序列排列的原始血流散斑信号数量为N，数据大小为P*L*N，依次抽取每一行所有时间序列上的像素点的原始光强数据，组成N*L大小的样本矩阵X，数学表达式为：
其中,I(x,y,t)表示第x行像素点(x,y)沿时间轴t处的光强信号；
b、计算矩阵X的协方差矩阵C,数学表达式为：
其中，Cij为协方差矩阵C的第i行第j列的元素；
c、求出协方差矩阵C的特征值λi及其对应的特征向量ai； 将λi降序排列，使得λ1≥λ2≥…≥λN； 特征向量ai是矩阵X的第i成分Fi的线性变换系数，则Fi可用公式表示为：
Fi(x,y)＝aiXy (1-3)
其中，Xy为样本矩阵的第y列，Fi(x,y)为像素点位置(x,y)的第i成分；
d、由背景组织产生的组织光强信号I0(x，y)为方差贡献率最大的第一成分，由运动红细胞产生的血流光强信号IRBC(x，y)为方差贡献率小的第二到第N成分之和，其数学表达式分别为I0(x,y)＝F1(x,y) (1-4)
其中I0(x,y)表示第x行像素点(x,y)背景组织产生的静态散斑信号之和，IRBC(x,y)表示第x行像素点(x,y)运动红细胞产生的动态散斑信号之和。
2.根据权利要求1所述的一种基于成分分析的散斑血流成像方法，其特征在于，所述血流分布图的每一像素点的成像参量为该像素点的第二到第N成分之和除以第一成分的值，其数学表达式为：
其中IP(x,y)表示第x行像素点(x,y)的成像参量。
3.根据权利要求1或者2所述的一种基于成分分析的散斑血流成像方法，其特征在于，采集到的原始血流散斑信号数量N为大于等于2的整数。
4.一种基于成分分析的散斑血流成像装置，其特征在于，包括：激光光源(1)、光纤头(2)、扩束镜(3)、与水平面夹角为45度的反光镜(4)、位于反光镜(4)正上方的中心有孔的载物台(5)、嵌于载物台(5)中心孔的载玻片(6)、位于载玻片(6)正上方的远心镜头(7)、与远心镜头(7)连接的相机(8)以及接收相机(8)所采集的数据进行处理和重建血流分布图的电脑(9)；所述散斑血流成像装置中的基于成分分析的方法如权利要求1所述。
5.根据权利要求4所述的一种基于成分分析的散斑血流成像装置，其特征在于，所述激光光源(1)、光纤头(2)和扩束镜(3)依次连接，且中心位于同一水平线上。
6.根据权利要求4所述的一种基于成分分析的散斑血流成像装置，其特征在于，所述相机(8)为CMOS相机。
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